WBG 器件給柵極驅(qū)動(dòng)器電源帶來(lái)的挑戰(zhàn)

碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 器件的柵極驅(qū)動(dòng)器電源必須滿足這些寬帶隙半導(dǎo)體的獨(dú)特偏置要求。本文將討論在 SiC 和 GaN 應(yīng)用中設(shè)計(jì)柵極驅(qū)動(dòng)器電源時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素。

圖 1：RECOM 眾多 DC/DC 模塊針對(duì) WBG 柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化中的一部分

SiC 和 GaN 是寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體材料，因其開關(guān)更快且損耗更低，相較于傳統(tǒng)硅 (Si) 在電力電子應(yīng)用領(lǐng)域更具優(yōu)勢(shì)。對(duì)于需要關(guān)鍵考量高效率和高功率密度的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這類材料的市場(chǎng)占有率正在不斷增加。

早期采用者因技術(shù)而異。技術(shù)更為成熟的 SiC 已基本取代 Si IGBTs，用于為電動(dòng)汽車的牽引逆變器供電，而 GaN 技術(shù)在筆記本電腦和類似設(shè)備的充電器應(yīng)用方面也取得了巨大成功。

WBG 器件的柵極驅(qū)動(dòng)器要求

SiC 和 GaN 晶體管的柵極驅(qū)動(dòng)器必須根據(jù)每個(gè)器件的具體特性進(jìn)行定制。對(duì)于高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器，柵極驅(qū)動(dòng)器和其直流電源必須采取隔離措施。

第一代 SiC MOSFETs 通常在導(dǎo)通狀態(tài)下需要 +20V 柵極驅(qū)動(dòng)電壓 (VDD)，以提供最低的導(dǎo)通電阻。由于柵極導(dǎo)通閾值可以小于 2 V，為了實(shí)現(xiàn)最佳的開關(guān)可靠性，SiC MOSFET 驅(qū)動(dòng)器通常在關(guān)斷階段擺動(dòng)至負(fù)柵極電壓。

圖 2: SiC 和 GaN 器件的驅(qū)動(dòng)器電壓比較

對(duì)于下一代設(shè)備，最佳導(dǎo)通和關(guān)斷電壓分別為 +15 或 +18V 和 -3 或 -4V。柵極驅(qū)動(dòng)器必須具備非常快的上升和下降時(shí)間（大約幾納秒），但除此之外，大多數(shù)柵極驅(qū)動(dòng)器都可以與非對(duì)稱 VDD 和 VEE 電源電壓使用而不會(huì)有任何問(wèn)題。柵極驅(qū)動(dòng)器的功耗隨開關(guān)頻率的提高而增加，但峰值柵極驅(qū)動(dòng)電流由靠近驅(qū)動(dòng)器電源引腳放置的電容器提供，并且只需要 2 W 至 3 W 的低功耗 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。

GaN 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 的典型全增強(qiáng)電壓為7V，但如果 VGS 超過(guò) 10 V 就會(huì)損壞，這遠(yuǎn)低于 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器所需的柵極電壓。由于 HEMT 結(jié)構(gòu)的低電容柵極溝道的上升和下降時(shí)間極快，因此外部柵極驅(qū)動(dòng)中任何過(guò)大電感都可能導(dǎo)致電壓尖峰或電壓振鈴，進(jìn)而超過(guò)這些電壓限值。因此，6V 柵極驅(qū)動(dòng)電壓是一種良好的折衷，既能保持高效率，又能處于安全工作范圍內(nèi)。不同于SiC MOSFET，HEMT 柵極通道的低電容允許關(guān)斷電壓為零伏。

WBG 柵極驅(qū)動(dòng)器電源的關(guān)鍵規(guī)格

SiC 或 GaN 柵極驅(qū)動(dòng)器的電源必須能夠提供上述所需的電壓水平。該電源由一個(gè)隔離型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器組成，通常為 SiC MOSFET 提供 +20/-5 V 電壓（第二代器件為 +15/-3V 電壓）或?yàn)?GaN HEMT 提供 +6V 和 +9V 電壓。

許多 SiC 和 GaN 應(yīng)用中的高側(cè)驅(qū)動(dòng)電路通常比地電位高出數(shù)百伏，需要對(duì)驅(qū)動(dòng)器及其相關(guān)電路進(jìn)行電氣隔離。光耦合器為控制信號(hào)提供隔離，但電源也需要隔離。

采用最簡(jiǎn)單（功能性）隔離的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器最長(zhǎng)可以承受一秒的 1kVDC 電壓，但這對(duì)于橋式配置的高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)往往不夠。DC/DC 隔離電壓至少是工作電壓的兩倍，但這些高功率 SiC 和 GaN 晶體管產(chǎn)生的高環(huán)境溫度和快速開關(guān)會(huì)對(duì)隔離屏障施加額外應(yīng)力。因此，需要高隔離型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器來(lái)為柵極驅(qū)動(dòng)器供電。

針對(duì) SiC 和 GaN 柵極驅(qū)動(dòng)器的解決方案

RECOM 用于柵極驅(qū)動(dòng)器的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是一種即插即用型模塊，可為 WBG 應(yīng)用中柵極驅(qū)動(dòng)器提供可靠、耐用的解決方案。我們提供一系列隔離型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器模塊 ，為 SiC MOSFET 或 GaN HEMT 功率器件提供簡(jiǎn)單的電源解決方案。這些轉(zhuǎn)換器具備非對(duì)稱輸出電壓、高絕緣電壓和低隔離電容等特點(diǎn)。

適用于 SiC 和 GaN 驅(qū)動(dòng)技術(shù)的最佳 DC/DC 轉(zhuǎn)換器有哪些？

SiC MOSFET

RxxP22005D 和 RKZ-xx2005D 系列提供 +20V 和 -5V 的不對(duì)稱輸出電壓，可高效且有效地開關(guān) SiC MOSFET。

RxxP21503D 系列提供 +15 和 -3V 的不對(duì)稱輸出電壓，可高效開關(guān)第二代 SiC MOSFET。

GaN HEMT

采用 RECOM 的 RP-xx06S 和 RxxP06S 系列 DC/DC 轉(zhuǎn)換器（具有高隔離電壓和低隔離電容）供電時(shí)，高壓擺率 GaN 晶體管驅(qū)動(dòng)器可在 +6V 電壓下實(shí)現(xiàn)最佳開關(guān)性能。在必須考慮較高噪聲和干擾的 GaN 應(yīng)用中，RECOM 還提供具有 +9V 輸出電壓的轉(zhuǎn)換器，該輸出電壓可以用齊納二極管分為 +6V 和 -3V，以在關(guān)斷時(shí)提供負(fù)柵極電壓，確保柵極電壓始終低于導(dǎo)通閾值。

RA3 系列針對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行優(yōu)化

RECOM RA3 系列非穩(wěn)壓 3W DC/DC 轉(zhuǎn)換器，專門設(shè)計(jì)用于為晶體管柵極驅(qū)動(dòng)器供電。這些模塊的輸入電壓為 5、12 或 24VDC，并提供單路或雙路不對(duì)稱輸出，范圍涵蓋最新的 Si、SiC 和 GaN 晶體管。

緊湊的 SMD 設(shè)計(jì)確保電路板所需空間最小化，尤其是對(duì)于多層 PCB 而言更是如此。該模塊提供 5.2kVDC/1 min 強(qiáng)大隔離和小于 10pF 的隔離電容。典型效率范圍為 78% 至 82%，滿載時(shí)的工作溫度范圍為 -40C 至 +85°C，可滿足太陽(yáng)能逆變器、感應(yīng)加熱、電信、電動(dòng)汽車電池充電器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等嚴(yán)苛環(huán)境要求。

經(jīng)得起考驗(yàn)的 WBG 設(shè)計(jì)

圖 3：不同 IGBT、SiC 和 GaN 器件的推薦和絕對(duì)最大驅(qū)動(dòng)器電壓比較

最佳柵極驅(qū)動(dòng)器電源電壓組合根據(jù)晶體管類型（IGBT、SiC 或 GaN）、制造商、技術(shù)代以及是否使用共源共柵配置而有所不同（圖3）。電子行業(yè)對(duì)此存在一些擔(dān)憂。我如何才能讓我的設(shè)計(jì)經(jīng)得起未來(lái)考驗(yàn)，以便能夠輕松適應(yīng)未來(lái)幾代或替代源晶體管供應(yīng)商提供的不同最佳導(dǎo)通和關(guān)斷電壓？

采用 RECOM R24C2T25 新型轉(zhuǎn)換器可以解決這一難題。這是一款隔離型 SMD DC/DC 轉(zhuǎn)換器，采用 IC 式 SSOP 封裝，專為給隔離型 WBG 柵極驅(qū)動(dòng)器供電而設(shè)計(jì)。通過(guò)使用預(yù)設(shè)電阻器，可在 +2.5V 至 +22.5V/-2.5V 至 -22.5V 范圍內(nèi)獨(dú)立調(diào)節(jié)穩(wěn)壓正負(fù)輸出電壓，因此僅用一個(gè)產(chǎn)品即可覆蓋 IGBT、MOSFET、SiC（所有代）甚至 GaN 的所有現(xiàn)有柵極驅(qū)動(dòng)器電壓范圍（圖 4）。

圖 4：R24C2T25 可調(diào)非對(duì)稱輸出電壓柵極驅(qū)動(dòng)電源

輸出為基本隔離等級(jí)，隔離電壓為 3kVrms/1 min，并且在 -40°C 至 +105°C 的整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)可提供 1.5W 功率而無(wú)需降額（溫度最高達(dá)到 +85°C 時(shí)為 2W）。CMTI（共模瞬態(tài)抗擾度）值超過(guò) 150kV/μs，因此該電源可在極快的開關(guān)邊沿下正常工作。該產(chǎn)品采用 SMD SSOP 封裝，可以安裝在靠近開關(guān)晶體管的位置，并且輸出端提供全面保護(hù)措施（UVLO、OTP、SCP、OLP），可讓您安裝無(wú)憂。

結(jié) 論

寬帶隙晶體管在大功率應(yīng)用中獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，但對(duì) SiC 和 GaN 柵極驅(qū)動(dòng)器電源的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)頗具挑戰(zhàn)。DC/DC 轉(zhuǎn)換器的標(biāo)準(zhǔn)隔離水平不足以滿足這些電路的要求，因此需要專門的解決方案。RECOM 結(jié)合所需的高絕緣電壓、非對(duì)稱輸出電壓和低隔離電容，推出多個(gè)系列 DC/DC 模塊，這些模塊針對(duì) SiC 和 GaN 柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，易于使用。